一种强度大于1400MPa的钛合金的制作方法
【专利摘要】本发明属于金属材料技术，涉及一种强度大于1400MPa的钛合金。本发明钛合金的重量百分比组成为：钼9％～15％、铁4％～8％、铝1％～5％、碳≤0.08％、氮≤0.05％、氢≤0.015％、氧≤0.15％、余量为钛。本发明的钛合金具有突出的强度性能，抗拉强度可达到1400MPa以上，并且具有良好的强度-塑性-韧性的匹配。本发明钛合金在锻造过程中不易开裂，易于成形，加工成本低，可作为航空用关键承力构件，也可在航天、兵器、民用等领域推广应用，经济效益显著。
【专利说明】-种强度大于1400MPa的钛合金
【技术领域】
[0001] 本发明属于金属材料技术，涉及一种强度大于HOOMPa的钛合金。
【背景技术】
[0002] 随着高超声速飞行器、无人战斗机、高隐身高机动飞行器、战略轰炸机、变体飞机 和新概念武器等新一代武器装备的跨越式高速发展，研制超高强度钛合金材料，达到更高 强度、高韧性、损伤容限、高疲劳性能、低成本以及可焊接等优异综合性能要求，以满足新一 代武器装备的轻量化和长寿命的设计和使用目标，需求十分迫切。
[0003] 目前，限制超高强度钛合金的性能潜力发挥和在新一代武器装备上应用的主要原 因是超高强度钛合金随着强度的不断提高，塑性、韧性、疲劳性能、损伤容限性能等综合性 能随之有不同程度地降低。例如，日本发明的GUM合金，强度达到1800?2000MPa的水平， 但塑性没有提高，延伸率仅为5 %左右，并且韧性较低。我国探索研究的TB20超高强度钛合 金其强度也可以达到1350MPa以上，但只能应用于丝材紧固件等小规格半成品中，用于制 造大厚度锻件时塑性和韧性较低，断裂韧度只有45 MPaV^左右，从而限制了其进一步推 广应用。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是：提出一种同时满足强度达到HOOMPa以上和良好综合性能匹配 的钛合金。
[0005] 本发明的技术方案是：钛合金的重量百分比组成为：钥9%?15%、铁4%?8%、 铝1%?5%、碳彡0· 08%、氮彡0· 05%、氢彡0· 015%、氧彡0· 15%、余量为钛。
[0006] 制备的步骤如下：
[0007] 1、制备电极：根据该合金以下元素的重量百分比：钥9%?15%、铁4%?8%、铝 1 %?5%、余量为钛，确定原料成分进行混料，混料后，用压力机压制成自耗电极；
[0008] 2、第一次真空自耗电弧炉熔炼：将自耗电极装入真空自耗电弧炉进行熔炼，熔炼 温度为1850°C?2050°C，在结晶器获得一次铸锭；
[0009] 3、第二次真空自耗电弧炉熔炼：由一次铸锭作为自耗电极进行第二次真空自耗电 弧炉熔炼，熔炼温度1800°C?200(TC，在结晶器获得二次铸锭；
[0010] 4、第三次真空自耗电弧炉熔炼：由二次铸锭作为自耗电极进行第三次真空自耗电 弧炉熔炼，熔炼温度为1800°C?2000°C，在结晶器获得三次铸锭；
[0011] 5、制备成品钛合金铸锭：将三次铸锭切去冒口和底垫，扒除表面氧化皮，并在头、 尾进行倒角处理后获得成品钛合金铸锭。
[0012] 本发明的优点是：
[0013] 本发明的钛合金具有突出的强度性能，抗拉强度可达到HOOMPa以上，屈服强度 可达到1300MPa以上，并且具有良好的强度-塑性-韧性的匹配，其中，延伸率达到6%以 上，断面收缩率达到10%以上，断裂韧度达到5Q ~ 75 Mpa该合金在锻造过程中不易 开裂，易于成形，加工成本低。可作为航空用关键承力构件，也可在航天、兵器、民用等领域 推广应用，经济效益显著。
【具体实施方式】
[0014] 下面对本发明做进一步详细说明。本发明钛合金的重量百分比组成为：钥9%? 15%、铁4%?8%、铝1 %?5%、碳彡0· 08%、氮彡0· 05%、氢彡0· 015%、氧彡0· 15%、余 量为钛。
[0015] 制备的步骤如下：
[0016] 1、制备电极：根据该合金以下元素的重量百分比：钥9%?15%、铁4%?8%、铝 1 %?5%、余量为钛，确定原料成分进行混料，混料后，用压力机压制成自耗电极；
[0017] 2、第一次真空自耗电弧炉熔炼：将自耗电极装入真空自耗电弧炉进行熔炼，熔炼 温度为1850°C?2050°C，在结晶器获得一次铸锭；
[0018] 3、第二次真空自耗电弧炉熔炼：由一次铸锭作为自耗电极进行第二次真空自耗电 弧炉熔炼，熔炼温度1800°C?200(TC，在结晶器获得二次铸锭；
[0019] 4、第三次真空自耗电弧炉熔炼：由二次铸锭作为自耗电极进行第三次真空自耗电 弧炉熔炼，熔炼温度为1800°C?2000°C，在结晶器获得三次铸锭；
[0020] 5、制备成品钛合金铸锭：将三次铸锭切去冒口和底垫，扒除表面氧化皮，并在头、 尾进行倒角处理后获得成品钛合金铸锭。
[0021] 本发明的工作原理是：该合金添加大量的β稳定元素钥元素和铁元素，可以起到 很好的固溶强化作用，显著提高合金强度，并且降低相变点温度，提高淬透性，增强热处理 强化效果。该合金中铝元素的添加不仅起到固溶强化的作用，还可以降低合金密度。因此， 合金经过双重退火后，具有突出的强度性能和良好的综合性能匹配。
[0022] 实施例1
[0023] 钛合金的重量百分比组成为：钥：12 %、铁：5 %、铝：3 %、碳：0. 02 %、氮： 0. 007%、氢：0. 008%、氧：0. 062%，余量为钛
[0024] 制备的步骤如下：
[0025] 1、制备电极：采用海绵钛、工业纯铝、Al-Mo中间合金和Fe-Mo中间合金为原料，按 以下重量百分比进行混料：钥：12%、铁：5%、铝：3%、余量为钛，混料后，用压力机压制成 自耗电极；
[0026] 2、第一次真空自耗电弧炉熔炼：将自耗电极装入真空自耗电弧炉进行熔炼，熔炼 温度为1850°C?2050°C，在结晶器获得一次铸锭；
[0027] 3、第二次真空自耗电弧炉熔炼：由一次铸锭作为自耗电极进行第二次真空自耗电 弧炉熔炼，熔炼温度1800°C?200(TC，在结晶器获得二次铸锭；
[0028] 4、第三次真空自耗电弧炉熔炼：由二次铸锭作为自耗电极进行第三次真空自耗电 弧炉熔炼，熔炼温度为1800°C?2000°C，在结晶器获得三次铸锭；
[0029] 5、成品钛合金铸锭：将三次铸锭切去冒口和底垫，扒除表面氧化皮，并在头、尾进 行倒角处理后获得成品钛合金铸锭；
[0030] 6、将成品钛合金铸锭在1050°C、1000°C、980°C、930°C进行四火次开坯，控制道次 变形量在25 %?40 %之间，制成锻坯；
[0031] 7、将锻坯在770°C进行四火次改锻，道次变形量在30 %?50 %之间，最终制成 Φ 1 20mm 棒材。
[0032] 按照国家军用标准GJB 3763A-2004《钛及钛合金热处理》，对成品棒材采用的热 处理制度为：780°C /30min，AC+510°C /12h，AC，然后进行性能测试。测得的结果为：抗拉强 度为1550MPa，屈服强度为1498MPa，延伸率为8. 3%，断面收缩率17. 9%，断裂韧度心为 63MPaV^。
[0033] 实施例2 :
[0034] 钛合金的重量百分比组成为：钥：9%、铁：8%、铝：5%、碳：0. 01%、氮：0. 005%、 氢：0. 0017%、氧：0. 074%，余量为钛。
[0035] 制备的步骤如下：
[0036] 1、制备电极：采用海绵钛、工业纯铝、纯铁丝、Fe-Mo中间合金为原料，按以下重量 百分比进行混料：钥：9%、铁：8%、铝：5%、余量为钛，混料后，用压力机压制成自耗电极；
[0037] 2、第一次真空自耗电弧炉熔炼：将自耗电极装入真空自耗电弧炉进行熔炼，熔炼 温度为1850°C?2050°C，在结晶器获得一次铸锭；
[0038] 3、第二次真空自耗电弧炉熔炼：由一次铸锭作为自耗电极进行第二次真空自耗电 弧炉熔炼，熔炼温度1800°C?200(TC，在结晶器获得二次铸锭；
[0039] 4、第三次真空自耗电弧炉熔炼：由二次铸锭作为自耗电极进行第三次真空自耗电 弧炉熔炼，熔炼温度为1800°C?2000°C，在结晶器获得三次铸锭；
[0040] 5、成品钛合金铸锭：将三次铸锭切去冒口和底垫，扒除表面氧化皮，并在头、尾进 行倒角处理后获得成品钛合金铸锭；
[0041] 6、将成品钛合金铸锭在1050°C、1000°C、980°C、930°C进行四火次开坯，控制道次 变形量在25 %?40 %之间，制成锻坯；
[0042] 7、将锻坯在760°C进行五火次改锻，道次变形量在30%?50%之间，最终制成 Φ 50mm棒材。
[0043] 按照国家军用标准GJB 3763A-2004《钛及钛合金热处理》，对成品棒材采用的热 处理制度为：770°C /30min，AC+500°C /12h，AC，然后进行性能测试。测得的结果为：抗拉强 度为1627MPa，屈服强度为1550MPa，延伸率为6. 3%，断面收缩率15. 2%，断裂韧度KrcS 54MPaV^。
[0044] 实施例3 :
[0045] 钛合金的重量百分比组成为：钥：15 %、铁：4 %、铝：1 %、碳：0. 03 %、氮： 0· 008%、氢：0· 008%、氧：0· 082%，余量为钛。
[0046] 制备的步骤如下：
[0047] 1、制备电极：采用海绵钛、Al-Mo中间合金、Fe-Mo中间合金、Ti-Mo中间合金为原 料，按以下重量百分比进行混料：钥：15%、铁：4%、铝：1%、余量为钛，混料后，用压力机压 制成自耗电极；
[0048] 2、第一次真空自耗电弧炉熔炼：将自耗电极装入真空自耗电弧炉进行熔炼，熔炼 温度为1850°C?2050°C，在结晶器获得一次铸锭；
[0049] 3、第二次真空自耗电弧炉熔炼：由一次铸锭作为自耗电极进行第二次真空自耗电 弧炉熔炼，熔炼温度1800°C?200(TC，在结晶器获得二次铸锭；
[0050] 4、第三次真空自耗电弧炉熔炼：由二次铸锭作为自耗电极进行第三次真空自耗电 弧炉熔炼，熔炼温度为1800°C?2000°C，在结晶器获得三次铸锭；
[0051] 5、成品钛合金铸锭：将三次铸锭切去冒口和底垫，扒除表面氧化皮，并在头、尾进 行倒角处理后获得成品钛合金铸锭；
[0052] 6、将成品钛合金铸锭在1070°C、1020°C、980°C、930°C进行三火次开坯，控制道次 变形量在25 %?40 %之间，制成锻坯；
[0053] 7、将锻坯在780°C进行三火次改锻，道次变形量在30 %?50 %之间，最终制成 Φ 150mm 棒材。
[0054] 按照国家军用标准GJB 3763A-2004《钛及钛合金热处理》，对成品棒材采用的热 处理制度为：770°C /30min，AC+520°C /12h，AC，然后进行性能测试。测得的结果为：抗拉强 度为145010^，屈服强度为138010^，延伸率为10.3%，断面收缩率23.6%，断裂韧度1^为 72 MPa 。
【权利要求】
1. 一种强度大于1400MPa的钛合金，其特征在于：该钛合金的重量百分比组成为： 钥9%?15%、铁4%?8 %、铝1 %?5%、碳彡0? 08%、氮彡0? 05%、氢彡0? 015%、氧 彡0. 15%、余量为钛。
2. 根据权利要求1所述的一种强度大于1400MPa的钛合金，其特征在于：该钛合金的 重量百分比组成为：钥14%?15%、铁4%?5%、铝1%?2%、余量为钛。
3. 根据权利要求1所述的一种强度大于1400MPa的钛合金，其特征在于：该钛合金的 重量百分比组成为：钥13%?14%、铁5%?6%、铝2%?3%、余量为钛。
4. 根据权利要求1所述的一种强度大于1400MPa的钛合金，其特征在于：该钛合金的 重量百分比组成为：钥12%?13%、铁6%?7%、铝3%?4%、余量为钛。
5. 根据权利要求1所述的一种强度大于1400MPa的钛合金，其特征在于：该钛合金的 重量百分比组成为：钥11%?12%、铁7%?8%、铝4%?5%、余量为钛。
6. 根据权利要求1所述的一种强度大于1400MPa的钛合金，其特征在于：该钛合金的 重量百分比组成为：钥10%?11%、铁7%?8%、铝4%?5%、余量为钛。
7. 根据权利要求1所述的一种强度大于1400MPa的钛合金，其特征在于：该钛合金的 重量百分比组成为：钥9%?10%、铁7%?8%、铝4%?5%、余量为钛。
8. 根据权利要求1所述的一种强度大于1400MPa的钛合金，其特征在于：该钛合金的 重量百分比组成为：钛合金的重量百分比组成为：钥：12%、铁：5%、铝：3%、余量为钛。
【文档编号】C22C14/00GK104498769SQ201410670345
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年11月20日 优先权日:2014年11月20日
【发明者】王新南, 朱知寿, 商国强, 费跃, 李静, 祝力伟 申请人:中国航空工业集团公司北京航空材料研究院